Диференціальний підсилювач або схема віднімача напруги

Операційні підсилювачі спочатку були розроблені для аналогових математичних обчислень, відтоді сьогодні вони виявились корисними у багатьох конструкторських програмах. Як справедливо сказав мій професор, операційні підсилювачі - це арифметичні калькулятори напруги, вони можуть виконувати додавання двох заданих значень напруги за допомогою схеми підсумовуючого підсилювача та різниці між двома значеннями напруги за допомогою диференціального підсилювача. Окрім цього, Op-Amp також часто використовується як інвертуючі підсилювачі та неінвертуючі підсилювачі.

Ми вже дізналися, як можна використовувати Op-підсилювач як підсилювач напруги або підсумовуючий підсилювач, тому в цьому підручнику ми дізнаємося, як використовувати op-підсилювач як диференціальний підсилювач для пошуку різниці напруг між двома значеннями напруги. Його ще називають Віднімачем напруги. Ми також спробуємо схему віднімача напруги на макетній панелі та перевіримо, чи працює схема належним чином.

Основи Op-Amp

Перш ніж заглибитися в диференціальні підсилювачі, давайте швидко ознайомимось з основами Op-підсилювача. Op-Amp - це п’ять термінальних пристроїв (один пакет) з двома терміналами (Vs +, Vs-) для живлення пристрою. З решти трьох терміналів два (V +, V-) використовуються для сигналів, які називаються Інвертуючим і Неінвертуючим терміналом, а решта (Vout) є вихідним терміналом. Основний символ Op-Amp показаний нижче.

Робота Op-підсилювача дуже проста, вона приймає різну напругу від двох висновків (V +, V-), підсилює її на величину посилення і надає як вихідну напругу (Vout). Коефіцієнт підсилення Op-Amp може бути дуже високим, що робить його придатним для аудіо-додатків. Завжди пам’ятайте, що вхідна напруга Op-Amp повинна бути менше його робочої напруги. Щоб дізнатися більше про операційний підсилювач, перевірте його застосування в різних схемах на основі операційних підсилювачів.

Для ідеального підсилювача на вході вхідний опір буде дуже високим, тобто струм не буде надходити до або на вихід підсилювача через вхідні штифти (V +, V-). Щоб зрозуміти роботу операційного підсилювача, ми можемо класифікувати схеми операційних підсилювачів як розімкнуті та замкнені.

Схема розімкнутого циклу Op-amp (компаратори)

У ланцюзі операційного підсилювача з розімкнутим контуром вихідний штифт (Vout) не з'єднаний з жодним з вхідних контактів, тобто зворотного зв'язку не надається. У таких умовах із відкритим циклом операційний підсилювач працює як компаратор. Простий компаратор операційного підсилювача показаний нижче. Зверніть увагу, що штифт Vout не підключений до вхідних штифтів V1 або V2.

У цьому стані, якщо напруга, що подається на V1, перевищує V2, вихідний Vout буде високим. Подібним чином, якщо напруга, що подається на V2, перевищує V1, вихідна напруга Vout буде низькою.

Схема замкненого контуру Op-amp (підсилювачі)

У замкнутому контурі операційного підсилювача вихідний штифт операційного підсилювача з'єднаний з будь-яким з вхідних висновків для забезпечення зворотного зв'язку. Цей зворотний зв'язок називається замкненим з'єднанням. Під час замкнутого циклу ОУ працює як підсилювач, саме в цьому режимі ОУ знаходить багато корисних додатків, таких як буфер, послідовник напруги, Інвертуючий підсилювач, Неінвертуючий підсилювач, Підсумовуючий підсилювач, Диференціальний підсилювач, Віднімач напруги тощо. штифт Vout підключений до інвертуючого терміналу, тоді він називається ланцюгом негативного зворотного зв'язку (показано нижче), а якщо він підключений до неінвертуючого терміналу, він називається ланцюгом позитивного зворотного зв'язку.

Диференціальний підсилювач або віднімач напруги

А тепер давайте заглибимося в нашу тему, Диференціальний підсилювач. Диференціальний підсилювач в основному приймає два значення напруги, знаходить різницю між цими двома значеннями і підсилює її. Отриману напругу можна отримати з вихідного штифта. Основна схема диференціального підсилювача показана нижче.

Але зачекайте !, хіба це не те, що робить Op-Amp за замовчуванням, навіть коли він не має зворотного зв'язку, він приймає два входи і забезпечує їх відмінності на вихідному штифті. Тоді для чого нам усі ці вишукані резистори?

Ну так, але операційний підсилювач при використанні у відкритому циклі (без зворотного зв'язку) матиме дуже високий неконтрольований коефіцієнт посилення, що практично не корисно. Отже, ми використовуємо вищезазначену конструкцію для встановлення величини коефіцієнта підсилення за допомогою резисторів у циклі негативного зворотного зв'язку. У нашій схемі над резистором R3 діє резистор негативного зворотного зв'язку, а резистори R2 і R4 утворюють дільник потенціалу. Значення коефіцієнта підсилення можна встановити, використовуючи потрібне значення резисторів.

Як встановити коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача?

Вихідна напруга диференціального підсилювача, показаного вище, може бути дано за наведеною нижче формулою

Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)

Вищевказана формула була отримана з передавальної функції вищезазначеної схеми з використанням теореми про суперпозицію. Але давайте не будемо багато в цьому вникати. Ми можемо додатково спростити вищевказане рівняння, розглянувши R1 = R2 та R3 = R4. Тож ми отримаємо

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), коли R1 = R2 і R3 = R4

З наведеної вище формули можна зробити висновок, що співвідношення між R3 і R1 буде дорівнює коефіцієнту підсилення підсилювача.

Підсилення = R3 / R1

Тепер, замінимо значення резисторів на вищезазначену схему і перевіримо, чи працює схема належним чином.

Моделювання схеми диференціального підсилювача

Я вибрав значення резистора 10k для R1 і R2 і 22k для R3 і R4. Нижче наведено моделювання схеми для того ж самого.

Для моделювання я поставив 4 В для V2 і 3,6 В для V1. Резистори 22k і 10k за формулами встановлять коефіцієнт підсилення 2,2 (22/10). Отже, віднімання буде дорівнювати 0,4 В (4-3,6), і воно буде помножено на значення коефіцієнта посилення 2,2, тож результуюча напруга становитиме 0,88 В, як показано у наведеному вище моделюванні. Давайте також перевіримо те саме за допомогою формули, яку ми обговорювали раніше.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), коли R1 = R2 і R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v

Тестування схеми диференціального підсилювача на апаратному забезпеченні

Тепер до найцікавішої частини, давайте насправді побудуємо ту саму схему на макеті і перевіримо, чи зможемо ми досягти однакових результатів. Я використовую LM324 Op-Amp для побудови схеми та використовую модуль живлення Breadboard, який ми побудували раніше. Цей модуль може забезпечити вихід 5 В і 3,3 В, тому я використовую силову рейку 5 В для живлення свого операційного підсилювача та силову шину 3,3 В як V1. Потім я використав свій RPS (регульоване джерело живлення), щоб подати 3,7 В на контакт V2. Різниця між напругами становить 0,4, і ми маємо коефіцієнт підсилення 2,2, який повинен дати нам 0,88 В, і це саме те, що я отримав. На малюнку нижче показано налаштування та мультиметр з показанням 0,88 В на ньому.

Це доводить, що наше розуміння диференціального підсилювача правильне, і тепер ми знаємо, як розробити його самостійно з необхідним значенням коефіцієнта підсилення. Повну роботу також можна знайти у відео, поданому нижче. Ці схеми частіше використовуються в програмах регулювання гучності.

Але оскільки схема має резистори на стороні вхідної напруги (V1 і V2), вона не забезпечує дуже високий вхідний опір, а також має високий коефіцієнт посилення в режимі, що призводить до низького коефіцієнта CMRR. Для подолання цих недоліків існує імпровізована версія диференціального підсилювача, яка називається інструментальним підсилювачем, але залишимо це для іншого підручника.

Сподіваюся, ви зрозуміли навчальний посібник і насолоджувались вивченням диференціальних підсилювачів. Якщо у вас є якісь запитання, залиште їх у розділі коментарів або скористайтесь форумами, щоб отримати більше технічних питань та швидшу відповідь.